典型平原河網(wǎng)溫瑞塘河地區(qū)的氮磷營養(yǎng)鹽時空分布

紀(jì)曉亮，朱元勵，梅 琨，王振峰，商 栩，張明華，2

(1.溫州醫(yī)學(xué)院溫州市水域科學(xué)與環(huán)境生態(tài)重點(diǎn)實驗室，浙江溫州 325035;2.加利福尼亞州大學(xué)戴維斯分校陸地、大氣及水資源系，美國加利福尼亞 95616)

近年來隨著我國農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代化工業(yè)的迅猛發(fā)展和沿海地區(qū)人口的增多，大量工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水排入河流，導(dǎo)致地表水中營養(yǎng)元素特別是氮的濃度大量增加，河流污染程度日趨嚴(yán)重［1-3］，其中最為典型的污染就是水體富營養(yǎng)化。水體的富營養(yǎng)化帶來了十分嚴(yán)重的環(huán)境問題，大量的氧氣消耗導(dǎo)致魚類死亡，如果發(fā)生水華的藻類為有毒藻，更會威脅到人類健康。水體中過量的營養(yǎng)元素 (主要為氮、磷)是引起水體污染的主要原因［4-6］，以往對于營養(yǎng)鹽含量變化特征的研究主要集中在探討海灣、河口、湖泊、水庫中的變化［1，7-9］，而對于河流［10］，特別是對于河道錯綜復(fù)雜、水體流速慢、水流流向多變、滯留時間長的平原河網(wǎng)的研究的相關(guān)報道還很少。作者以典型的平原河網(wǎng)溫瑞塘河為研究對象，通過分析氮磷營養(yǎng)鹽的含量、時間和空間分布及其變化特征并與三垟濕地水體中的氮磷營養(yǎng)鹽季節(jié)變化進(jìn)行對比，闡明溫瑞塘河的營養(yǎng)鹽變化機(jī)制，分析影響溫瑞塘河的水質(zhì)變化的因素，為今后研究塘河對其周圍海洋營養(yǎng)鹽的貢獻(xiàn)及溫州相關(guān)部門制定科學(xué)合理的溫瑞塘河治理保護(hù)措施提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇溫州市溫瑞塘河 (簡稱塘河)流域為研究區(qū)。溫瑞塘河位于甌江以南、飛云江以北的溫瑞平原，是溫州市境內(nèi)十分重要的河道水系，整個溫瑞塘河流域面積740 km2，水面面積22 km2，蓄水量6 500萬m3，水系河網(wǎng)總長度1 178.4 km，其中主河道長33.8 km。從20世紀(jì)80年代起，由于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的不同步，溫瑞塘河水環(huán)境逐漸惡化，據(jù)溫州市環(huán)保局2001年溫瑞塘河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，溫瑞塘河水質(zhì)滿足功能要求的河段僅為15%，V類及劣V類的河段占85%，塘河水污染已經(jīng)到了極其嚴(yán)重的程度。

1.2 樣品采集與分析

參照國家標(biāo)準(zhǔn)《采樣方案設(shè)計技術(shù)》，結(jié)合溫瑞塘河的河網(wǎng)及地形地貌特征，選取37個監(jiān)測點(diǎn)。這37個點(diǎn)中，A類點(diǎn) (■)表示一級河道 (主河道)的監(jiān)測點(diǎn);B類點(diǎn) (▼)表示二級河道的監(jiān)測點(diǎn)，C類點(diǎn) (▲)表示三級河道的監(jiān)測點(diǎn);S類點(diǎn) (●)表示位于三垟濕地的監(jiān)測點(diǎn) (圖1)。

圖1 研究區(qū)及監(jiān)測點(diǎn)位置

監(jiān)測時間從2008年11月至2009年10月，在每個月的中下旬采集表層水樣，共采集440個樣品。用有機(jī)玻璃采樣器采集水樣，然后立即裝入聚乙烯塑料瓶內(nèi)密封，當(dāng)天帶回實驗室即用0.45 μm醋酸纖維膜過濾，滴加飽和HgCl2固定，搖勻后置于4℃冰箱內(nèi)保存待分析。

溫度、濁度、溶解氧 (DO)、pH值、電導(dǎo)率等參數(shù)在現(xiàn)場用YSI6920多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀測定。溶解態(tài)營養(yǎng)鹽用AA3流動注射式營養(yǎng)鹽分析儀測定，氨氮 (-N)用水楊酸分光光度法，硝酸鹽(-N)用鎘柱還原法，亞硝酸鹽 (-N)用N-(1-萘基)乙二胺鹽酸法，活性磷酸鹽用鉬銻抗分光光度法。總?cè)芙鈶B(tài)無機(jī)氮 (DIN)為上述3種氮鹽濃度之和。對水體質(zhì)量的評價參考中國國家標(biāo)準(zhǔn)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838—2002［11］。

2 結(jié)果與分析

2.1 年平均含量

研究結(jié)果顯示，溫瑞塘河水質(zhì)污染十分嚴(yán)重，表現(xiàn)為高氨氮、低溶解氧的富營養(yǎng)化水體的特點(diǎn)。參照我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB3838—2002，2008-2009年溫瑞塘河水體-N 為10.75 mg·L-1，是V類水標(biāo)準(zhǔn)的5倍，-N 為 0.68 mg·L-1，-N為 0.05 mg·L-1，DIN為 11.48 mg·L-1;總磷中僅含量已到達(dá) 0.79 mg·L-1，為V類水標(biāo)準(zhǔn)的2倍;一般認(rèn)為水體中總氮高于0.5 mg·L-1，總磷高于0.05 mg·L-1時，水體即呈富營養(yǎng)化狀態(tài)［12］。溫瑞塘河DO為 V類水標(biāo)準(zhǔn)，年均值2.01 mg·L-1，相關(guān)研究表明含量低于4 mg·L-1時會影響水生生物生存，甚至造成死亡，此時即可認(rèn)為該水域處于低氧狀態(tài)［13］。

2.2 時間變化

圖2顯示出溫瑞塘河水體中DIN含量變化范圍為8.97～14.59 mg·L-1，濃度高值出現(xiàn)在冬季的1月份，低值出現(xiàn)在夏秋季的9月。結(jié)合圖3，可以明顯看出，-N與DIN的年際變化趨勢相似，-N占了DIN的大部分比例，為DIN的主要貢獻(xiàn)者。表明塘河無機(jī)氮處于熱力學(xué)不平衡狀態(tài)，塘河水中的NH+4-N大部分是外源性的，僅一部分參與浮游植物循環(huán)。調(diào)查期間PO43--P濃度的變化范圍為0.35～1.37 mg·L-1，其中 7月份最高，為 1.37 mg·L-1，9月份最低，為0.35 mg·L-1。

圖2 溫瑞塘河可溶性無機(jī)氮和活性磷酸鹽含量的變化

圖3 溫瑞塘河氨氮和硝氮含量的變化

2.3 空間變化

37個采樣點(diǎn)營養(yǎng)鹽含量變化在空間上存在較大差異。由圖4可以看出:的空間分布均值的最大值均出現(xiàn)在水體流通性較差、人口相對集中的三級河道區(qū)域，在二級河道、主河道、濕地區(qū)域濃度依次遞減;和DO的濃度最高值出現(xiàn)在濕地。由于的含量在一定程度上可以反映水體的自凈能力，含量越高，水體自凈能力越強(qiáng)［17-18］。因此，溫瑞塘河各級河道受污染的程度在空間上的變化特點(diǎn)表現(xiàn)為三級河道＞二級河道＞主河道＞濕地。

圖4 溫瑞塘河營養(yǎng)鹽的空間變化

2.4 各級河道營養(yǎng)鹽季節(jié)性變化

從圖5可以看出，4個水質(zhì)指標(biāo)中 DO在一、二、三級河道總體表現(xiàn)為夏季高，冬季低的特點(diǎn);而在三垟濕地區(qū)域，春季最高，冬季最低，且濃度相對較高。在一、二、三級河道呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)特點(diǎn);在三垟濕地區(qū)域，則呈現(xiàn)出了相同的季節(jié)性變化特點(diǎn)。在各級河道中總體上呈現(xiàn)出春夏季節(jié)大于秋冬季節(jié)的趨勢。

2.5 營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)

圖5 各級河道營養(yǎng)鹽含量的季節(jié)變化

N/P是考察營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)。氮磷的含量分布是控制浮游植物生長繁殖的因素之一，同時，營養(yǎng)鹽的組成結(jié)構(gòu)對浮游植物的生長和群落結(jié)構(gòu)變化也起著至關(guān)重要的作用，一方面營養(yǎng)鹽濃度水平的高或低，直接影響浮游植物的生長繁殖，另一方面，營養(yǎng)鹽之間的比例關(guān)系與浮游植物對營養(yǎng)鹽吸收比例之間的差異，也可導(dǎo)致一種或幾種營養(yǎng)鹽對浮游植物生長的限制［1］。Redfield研究發(fā)現(xiàn)一般大洋深層的N/P為16左右，與浮游植物元素組分的N/P大致相同。當(dāng)任何一種要素含量低于或高于一定比值時，都會抑制生物的生長和繁殖甚至中毒死亡，因此把恒定的N/P比值16稱為Redfield比值，作為研究生態(tài)環(huán)境中缺乏氮或磷的重要依據(jù)。

傳統(tǒng)上，Redfield比多用于海域，近年來國內(nèi)外有很多研究將其用于湖泊、河流等淡水水體［8］。當(dāng)?shù)w中N/P＜7，氮將限制藻類的生長，N/P在8～30時，適合藻類生長，N/P＞30，P將成為藻類生長的限制因子［19-20］。從圖6可以看出，塘河水體中N/P比基本上接近Redfield比值，最小值出現(xiàn)在7月 (8.5)，最大值出現(xiàn)在1月份 (26.9)，年平均值為15.93，全年6個月處在最適合浮游生物生長的Redfield比值范圍，具有發(fā)生水華的營養(yǎng)條件。

2.6 塘河整治工程效果

自2000年開始，溫州市政府展開大規(guī)模的溫瑞塘河綜合整治，整治工程主要包括截污納管、底泥清淤、農(nóng)業(yè)面源污染防治，生態(tài)工程建設(shè)等項目。為評估整治工程的治理效果，將2008年的數(shù)據(jù)與溫州市環(huán)保局2004年的數(shù)據(jù)對比 (為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確，主要選取了與溫州醫(yī)學(xué)院監(jiān)測點(diǎn)相近或重合的5個點(diǎn)的平均數(shù)據(jù))，從圖7可以看出，氮磷營養(yǎng)鹽的含量較2004年均有較大降低，溶解氧含量也有大幅升高。說明一系列的整治工程、已經(jīng)對溫瑞塘河的水質(zhì)改善起到了明顯的作用。

圖6 溫瑞塘河DIN/P的季節(jié)變化

圖7 溫瑞塘河水質(zhì)的變化

3 小結(jié)與討論

溫瑞塘河水質(zhì)氮磷污染十分嚴(yán)重，溶解氧含量很低，水體呈富營養(yǎng)化狀態(tài)。水體中DIN的濃度總體上冬、春季大于夏、秋季。是DIN的主要組成形式，表明溫瑞塘河無機(jī)氮處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)。水體中含量變化比較復(fù)雜，總體上呈現(xiàn)出春夏季節(jié)大于秋冬季節(jié)的趨勢。氮磷營養(yǎng)鹽的時間變化主要是由于降雨、浮游植物吸收與降解和微生物的作用引起的。溫瑞塘河氮磷營養(yǎng)鹽含量存在明顯的空間變化特征，不同級別河道含量差異較大。各級河道受污染的程度為:三級河道＞二級河道＞主河道＞濕地。塘河水體中N/P基本上接近Redfield比值，具有發(fā)生水華的營養(yǎng)條件。調(diào)查結(jié)果顯示，雖然經(jīng)過了一系列的整治工程，溫瑞塘河的水質(zhì)已經(jīng)得到了明顯的改善，但溫瑞塘河水質(zhì)現(xiàn)狀仍然不容樂觀，治理工作仍然嚴(yán)峻。

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